No high Tibetan Plateau until the Neogene

The Late Paleogene surface height and paleoenvironment for the core area of the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) remain critically unresolved. Here, we report the discovery of the youngest well-preserved fossil palm leaves from Tibet. They were recovered from the Late Paleogene (Chattian), ca. 25.5 ± 0.5 million years, paleolake sediments within the Lunpola Basin (32.033°N, 89.767°E), central QTP at a present elevation of 4655 m. The anatomy of palms renders them intrinsically susceptible to freezing, imposing upper bounds on their latitudinal and altitudinal distribution. Combined with model-determined paleoterrestrial lapse rates, this shows that a high plateau cannot have existed in the core of Tibet in the Paleogene. Instead, a deep paleovalley, whose floor was 4 km) high mountain systems, formed a topographically highly varied landscape. This finding challenges prevailing views on tectonic processes, monsoon dynamics, and the evolution of Asian biodiversity

Stable isotope‐based paleoaltimetry,

Abstract The quantitative estimation of paleoaltitude has become an increasing focus of Earth scientists because surface elevation provides constraints on the geodynamic mechanisms operating in mountain belts, as well as the influence of mountain belt growth on regional and global climate. The general observation of decreasing δ 18 O and δ 2 H values in rainfall as elevation increases has been used in both empirical and theoretical approaches to estimate paleoelevation. These studies rely on the preservation of ancient surface water compositions in authigenic minerals to reconstruct the elevation at the time the minerals were forming. In this review we provide a theory behind the application of stable isotope-based approaches to paleoaltimetry. We apply this theory to test cases using modern precipitation and surface water isotopic compositions to demonstrate that it generally accords well with observations. Examples of the application of paleoaltimetry techniques to Himalaya-Tibet and the Andes are discussed with implications for processes that cause surface uplift

Initial growth of the Northern Lhasaplano, Tibetan Plateau in the early Late Cretaceous (ca. 92 Ma)

Constraining the growth of the Tibetan Plateau in time and space is critical for testing geodynamic models and climatic changes at the regional and global scale. The Lhasa block is a key region for unraveling the early history of the Tibetan Plateau. Distinct from the underlying shallow-marine limestones, the Jingzhushan and Daxiong formations consist of conglomerate and sandstone deposited in alluvial-fan and braided-river systems. Both units were deposited at ca. 92 Ma, as constrained by interbedded tuff layers, detrital zircons, and micropaleontological data. Provenance and paleocurrent analyses indicate that both units were derived from the same elevated source area located in the central-northern Lhasa block. These two parallel belts of coeval conglomerates record a major change in paleogeography of the source region from a shallow seaway to a continental highland, implying initial topographic growth of an area over 160,000 km2, named here the Northern Lhasaplano. The early Late Cretaceous topographic growth of the Northern Lhasaplano was associated with the demise of Tethyan seaways, thrust-belt development, and crustal thickening. The same paleogeographic and paleotectonic changes were recorded earlier in the Northern Lhasaplano than in the Southern Lhasaplano, indicating progressive topographic growth from north to south across the Bangong-Nujiang suture and Lhasa block during the Cretaceous. Similar to the Central Andean Plateau, the Northern Lhasaplano developed by plate convergence above the oceanic Neo-Tethyan subduction zone before the onset of the India-Asia collision

Stratigraphic signatures of convergent orogenesis from the plate interior : studies from Tibet and the southern Rocky Mountains

Fundamental questions remain in geology regarding the growth and development of the continental landscape. The existence of major mountain belts and high plateaus in the plate interior, over a thousand kilometers from a plate boundary, requires a complex combination of tectonic and climatic pre-conditions combined with inherited structures, active tectonics, geodynamic processes, and climatic feedback. Through these studies of the basin records of orogenesis in the Qaidam basin of northern Tibet and the southern Rocky Mountain basins of North America, we provide new constraints on the timing of deformation, the development of proximal basins, and the evolution of continental-scale drainage patterns in two of the most prominent modern mountain belts. Three studies are presented in this dissertation, each investigating a different aspect of continental plate-interior basin development. In Chapter 2, the Cenozoic sedimentary record from the Qaidam basin is investigated through a sedimentological and multi-proxy provenance study. Provenance and stratigraphic analysis reveals syn-collisional exhumation of the Eastern Kunlun Shan and Qilian Shan, marking the early establishment of the borders of the Tibetan plateau. Chapter 3 investigates the record of easternmost Laramide deformation in the southern Rocky Mountains. Detrital zircon U-Pb geochronology of Cretaceous through Eocene sedimentary units in the Raton basin provides new constraints on the uplift and exhumation of the Sangre de Cristo range, revealing initial exhumation of Laramide basement material in the Campanian, the formation of a drainage divide within the Sangre de Cristo range by the Paleocene, and continued exhumation through the Eocene. The final study (Chapter 4) looks at regional patterns of uplift, exhumation, and drainage reorganization during the latest Cretaceous through Eocene in the southern Rocky Mountains. Initial Laramide-style deformation introduced basement material into the basins while maintaining integrated basins, while continued exhumation throughout the Paleogene resulted in partitioning of basins into more localized depocenters. Provenance analysis of strata from the San Juan, Galisteo-El Rito, and Raton basins reveals new depositional ages, as well as patterns of basin filling and drainage integration during Laramide thrusting, pluton emplacement in the San Juan mountains, and the transition to south-directed continental drainage systems that terminate in the Gulf of Mexico. Together, these studies provide a framework for understanding the co-evolution of sedimentary basins and mountain belts in the plate interior based on the recognition of initial deformation, continued exhumation and drainage integration, and partitioning of basins due to the formation of topographic barriers.Geological Science

Revealed by low-temperature thermochronology, U-Pb geochronology, provenance analyses, and geomorphometry

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von “Fastebenen”, die im Weiteren einheitlich als “Peneplains” bezeichnet werden, sowie dem Zerfall dieses markanten geomorphologischen Erscheinungsbildes im südlichsten Teil des tibetischen Plateau dem sogenannten Lhasa Block. Im Zuge dieser Arbeit konnten neue Erkenntnisse über die Hebungsgeschichte und der Sedimentverteilung in diesem Untersuchungsgebiet gewonnen werden. Diese Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der geodynamischen Entwicklung Asiens bei, die bis heute viele Fragen aufwirft. Ende des 19. Jahrhunderts wurden Peneplains als metastabile geomorphologische Formen angesehen, die im Zuge großflächiger Erosion entstehen. Die Bezeichnung Peneplain und das dahinter stehende Konzept werden seitdem von der geomorphologischen Gemeinschaft jedoch kontrovers diskutiert. Bis heute gibt es keine standardisierte bzw. repräsentative Definition für das nicht zu übersehende landschaftsbildende Phänomen der Peneplains. Dementsprechend gibt es auch nur wenige Ansätze zu Modellierungen oder Berechnungen mit Geoinformationssystemen. Hier, in dieser Dissertation, werden idealisierte Peneplains als erhöhte, gleichmäßige und großflächige Ebenen mit abfallenden Hängen verstanden, auch wenn sich landschaftsbildende Peneplains oft gekippt darstellen und durch tektonische Prozesse gestört bzw. bereits durch fortschreitende Erosionsprozesse angegriffen sind. Gut erhaltene Peneplains sind speziell für das Gebiet um den höchstgelegenen See der Welt, dem Nam Co, im nördlichen Teil des Lhasa Blocks im Hochland von Tibet charakteristisch. Die Peneplains zerschneiden das dort vorkommende viel ältere und vorwiegend granitische Gestein sowie die angrenzenden Metasedimente. Zur Bestimmung der Abkühl- und Hebungsalter der Granite wurden geo- und thermochronologische Methoden wie Zirkon U-Pb, Zirkon (U-Th)/He, Apatit (U-Th)/He und Apatit-SpaltspurenDatierung angewendet. Neben der Hebungsrate konnte auch die Freilegung des granitischen Gesteines ermittelt werden. Mit der Methode zur Bestimmung des U-Pb-Zirkonalters konnten zwei Intrusionsgruppen, um 118 Ma und 85 Ma, festgestellt werden. Ebenso wurden vulkanische Aktivitäten nachgewiesen und auf einen Zeitraum zwischen 63 Ma und 58 Ma datiert. Thermische Modelle, aufbauend auf Zirkon- und Apatit-(U-Th)/He-Datierungen sowie auf ApatitSpaltspuren-Daten der untersuchten Granitoide, ergeben einen Hebungs- und Abkühlungszeitraum von 75 Ma bis 55 Ma mit einer Hebungsrate von 300 m/Ma, welche im Zeitfenster zwischen 55 Ma und 45 Ma stark abfällt auf 10 m/Ma. Die Auswertung der Messdaten unserer Kooperationspartner an der Universität Münster zu kosmogenen Nukliden zeigen sehr niedrigen Erosionsraten von 6-11 m/Ma und 11-16 m/Ma, in den letzten 10.000 Jahren die in den einzelnen Einzugsgebieten ermittelt wurden. Diese Daten zeugen von einer noch immer andauernden Periode der Stabilität und tragen zur Erhaltung der Peneplains bei. Während der anhaltenden Phase der Erosion und Einebnung sind vor ungefähr 45 Ma in der untersuchten Region zwischen 3 km und 6 km Gestein abgetragen und weg transportiert worden. Es ist naheliegend, dass das abgetragene Material als Sediment über das vorhandene Flusssystem fast vollständig in die heute bestehenden Ozenane transportiert wurde. Im Lhasa Block können nur verhältnismäßig wenig Sedimente aus dieser Zeit nachgewiesen werden. Alle bisherigen Untersuchungsergebnisse sowie die durchgeführte Sediment-Herkunftsanalyse untermauern die Theorie, dass die Peneplainbildung und ihre Erosionsprozesse in niedriger Höhe - höchstwahrscheinlich auf Meeresniveau - stattgefunden haben muss. Dieser Prozess wurde durch die Kollision des indischen Kontinents mit Asien gestoppt. Die resultierende Krustenverdickung führte zu einer Hebung der Landschaft mit den Peneplains, von Meeresniveau auf 5.000 bis 7.000 Höhenmeter. Die auf dem “das Dach der Welt” vorherrschenden idealen Klimabedingungen haben anschließend für die fast vollständige Erhaltung der Peneplains gesorgt. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit der Entwicklung einer robusten Methode Peneplains anhand digitale Höhenmodelle (DEM) zu berechnen bzw. zu kartieren. Frei zugängliche DEMs machen es möglich, Erdoberflächen repräsentativ mathematisch und statistisch zu analysieren und zu charakterisieren. Diese Analysemethode stellt eine ausgezeichnete Möglichkeit dar, die Peneplains mittels aussagekräftiger Algorithmen zu charakterisieren und digital zu kartieren. Um Peneplains algorithmisch von der Umgebung klar abgrenzen zu können, wurde ein komplett neuer Ansatz der Fuzzylogik angewandt. Als DEM-Basis wurde ein 90 arcsec-DEM der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) verwendet. Mithilfe eines Geoinformationssystems (GIS) wurden Algorithmen geschrieben, die vier verschiedene kritische Parameter zur Beschreibung von Peneplains berücksichtigen: (I) Gefälle, (II) Kurvigkeit, (III) Geländerauhigkeit und (IV) Relative Höhe. Um die Eignung der Methode zu prüfen, wurde auf Basis der SRTM-DEM weltweit kartiert und mit schon in der Literatur beschriebenen Peneplains verglichen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse von den Appalachen, den Anden, dem Zentralmassif und Neuseeland bestätigen dass ein Einsatz des Modells, weltweit und unabhängig von der Höhenlage möglich ist

Implications of Sedimentary Provenance and Regional Tectonic Evolution on the Formation Process of the South China Sea

This study utilised a combination of petrographic, mineralogical, geochemical and isotopic analyses to investigate the Upper Mesozoic Cenozoic geological records in the northern South China Sea area. The thesis reinterprets the Mesozoic basement and explores the evolution of Mesozoic Andean-type active continental margin, highlighting the transition from active to passive margins. The research also investigated provenance and evolution of major river systems and sedimentary processes, and conducted systematic paleogeographic reconstruction. The findings provide insights into early Cenozoic magmatic activity and the South China Sea's expansion mechanism

Relations érosion : sédimentation entre le bassin du Qaidam (Tibet) et les chaines associées

The Qaidam basin, located within the northern Tibetan plateau, is the deepest intracontinental basin, yet located in the highest plateau with the thickest continental crust. Understanding how this peculiar basin developed has broad implications for the Tibetan geology in particular and for continental tectonics in general. Many approaches have been used to decipher the tectonic and topographic history of that region, however, the initial topography of the area now represented by the northern Tibetan plateau, as well as the early stages of development of the present day topography remain poorly constrained and highly debated. In order to better understand the Cenozoic evolution of the Qaidam basin and its surrounding regions (including Eastern Kunlun Range to the south, Altyn Tagh Range to the northwest, and Qilian Shan to the northeast), four critical issues are addressed in this thesis: 1) the Cenozoic joint tectonic evolution of the Qaidam basin and the Eastern Kunlun Range; 2) the interplay between the sedimentation within the Qaidam basin and the active tectonics within the Altyn Tagh Range; 3) a quantitative estimate of the lateral extrusion along the Altyn Tagh Fault-Qilian Shan tectonic system; 4) the nature and classification of the Qaidam basin. I suggest that the SW Qaidam basin has been bordered by a series of strike-slip faults to the south since the Early Miocene, rather than, as previously suggested by a continuous northward or southward thrusting system. Based on U-Pb dating (LA-ICP-MS) of detrital zircons collected from 4 sections (Paleocene to Holocene) within the southwestern Qaidam basin combined with provenance analysis and new seismic profile interpretation, I demonstrated that the Eastern Kunlun Range was already exhumed prior to the Paleocene. I show that the Qaidam basin was widening southward during thet early Cenozoic period (Paleocene to Oligocene). From Oligocene the relief of the Eastern Kunlun and Altyn Tagh ranges increased, leading to isolation and narrowing of the Qaidam basin from Miocene to the present. Along the northern edge of the basin, I identified the Tula-Huatugou and Anxi-Eboliang regions as residual parts of the original Qaidam basin. I suggest that the Altyn Tagh Fault has experienced a total of ~360 km of displacement since its Early Eocene initiation. Based on this ~360 km northeastward migration of the relatively rigid Qaidam block along the Altyn Tagh Fault and 3D isovolumetric balance of the crustal deformation within the Altyn Tagh Fault – Qilian Shan system, I demonstrate that 250 ± 28 km (43.8~49.4 %) of N20E directed crustal shortening and an additional ~250 to ~370 km of eastward motion of the Qilian Shan crust must be accounted for by strike-slip faulting in the Qilian Shan and crustal thickening in the Qinling area, as well as extension in the adjoining North China block graben systems.Le basin du Qaidam, situé sur la bordure nord du Plateau Tibétain est unique au monde en ce qu’il représente le bassin intracontinental le plus profond bien que situé sur le plus haut plateau et la plus épaisse croute continentale actuels. Comprendre le développement et l’évolution de ce bassin en lien avec la collision Inde-Asie a des implications multiples pour la géologie du Tibet en particulier et la tectonique continentale en général. De nombreuses études incluant de la thermochronologie, de la paléobotanique, du paléomagnétisme, de la paléoaltimétrie, de la sédimentologie et de la géologie structurale se sont intéressées à l’histoire tectonique et topographique de cette région. Toutefois la topographie initiale de la région actuellement représentée par le Plateau Tibétain ainsi que les premiers stades de développement du plateau restent méconnus et très débattus. Les travaux présentés ici sont basés sur des données de terrain, de sismique 2D et 3D, de géochimie, de géochronologie détritique, de sédimentologie et d’analyse d’images satellitaires. Ils décrivent: 1) l’évolution cénozoïque conjointe du bassin du Qaidam et de la chaine des Eastern Kunlun ; 2) les relations entre la sédimentation dans le bassin du Qaidam et la tectonique le long de la faille de l’Altyn Tagh ; 3) une estimation quantitative de l’extrusion latérale du nord Tibet les long du système Altyn Tagh – Qilian Shan ; 4) la nature et la typologie du bassin du Qaidam. Je démontre que la chaîne du Kunlun formait un relief en érosion au Paléocène et que la zone de dépôt du bassin du Qaidam s’est élargie vers le sud jusqu’à l’Oligocène. Dès le Miocène inférieur le SO du bassin du Qaidam était limité par un système tectonique décrochant. L’accroissement du relief dans les chaines du Kunlun et de l’Altyn Tagh entraine alors un isolement puis un rétrécissement du bassin. Je suggère que la faille de l’Altyn Tagh qui forme la bordure nord du Plateau, a accommodé environs 360 km de déplacement depuis sont initiation au Miocène inférieur. Cette déformation est prise en compte par du décrochement et de l’épaississement dans les Qilian Shan, de l’épaississement crustal dans les Qinling et de l’extension dans le système de grabens de Chine du Nord. Enfin, je conclu que le bassin du Qaidam est contrôlé conjointement par les failles décrochantes de l’Altyn Tagh et du Kunlun Est. La superposition dans le temps et l’espace des effets de ces deux décrochements majeurs durant le Cénozoïque a contrôlé l’évolution du bassin et la répartition des réserves d’huile et de gaz